レーザスポット溶接部の疲労特性の考察
The Fatigue Characteristics of a Laser Spot Welding Part及 川 昌 志 Masashi OIKAWA
越川純 Jun KOSHIKAWA
遠 藤 翔 太 Shouta ENDOH
レーザスポット溶接は，低入熱で低歪みであり，また，接合部の直径がおよそ2 mm以下である．このようなレーザスポット溶接を大型構造物に採用した例は鉄道車両以外には無く，その鉄道車両は筆者らが2002年に製作し営業線で試験運行した車両に用いたことが始まりである．現在はレーザスポット溶接部が低歪みな特性から溶接部の角変形が無い優れた外観を持つ鉄道車両を提供している．レーザスポット溶接は，従来の電気抵抗スポット溶接に比べ，あるいは従来の連続レーザ溶接に比べても短時間のプロセスであるので溶融凝固部の特性を詳細に調査する必要がある．本報ではレーザスポット溶接部の機械的特性の調査を行った結果と溶融凝固部の金属組織を調査した結果を述べる．

Laser spot welding is the method of optimizing time and spatial distribution of the output of pulse oscillation
laser or the continuation oscillation laser in pulse gating mode, and has the feature of low distortion, with lowheat input. The diameter of a laser spot welding of about 2 mm or less, it is for there to be no example adopted
as the large-sized structure in addition to a railroad vehicle. Since laser spot welding is a short-time process even
if it compares it with the conventional continuation laser welding, it needs to investigate the characteristic of awelded part in detail. This paper describes the result of having investigated the mechanical property of the laser
spot welding part, and the result of having investigated the metal organization of the welded part.

１ はじめに

２ 実験方法レーザスポット溶接は，パルス発振レーザ，もしくは２．１

試験体

パルスゲーティングモードの連続発振レーザの出力の時

試験体には鉄道車両用ステンレス鋼板，SUS301L鋼間的分布や空間的分布を最適化して接合する方法であを用いた．主要化学成分を表1に示す．なお，SUS301Lり，低入熱で低歪みであるという特徴を持つ．古くから

鋼 は ， SUS304鋼 と Crと Nの 含 有 量 の 差 は わ ず か

剃刀の刃部分と支持部分の接合に用いられ，あるいは精（SUS304鋼は18-8ステンレス鋼と言われ，SUS301Lで密部品の接合に用いられていることが多い．接合部の直は17-7である）である．C量は実測値で190ppmであり，径がおよそ 2 mm以下のレーザスポット溶接を大型構造

溶融凝固部とその周囲の熱影響層で生じるというCr欠乏物に採用した例は鉄道車両以外には無く，その鉄道車両層（腐食に対する鋭敏化組織）が成長しにくいと言われは筆者らが2002年に製作し営業線で試験運行した車両ている．また，調質圧延により引張強度を約1200MPaに用いたことが始まりであり，現在はレーザスポット溶まで選択することが可能である．調質と耐力および強度接部が低歪みな特性から溶接部の角変形が無い優れた外を表 2 に示す．今回の実験に用いた調質と板厚の組み合観を持つ鉄道車両を提供している．

わせを表 3 に示す．

レーザスポット溶接は，従来の電気抵抗スポット溶接

表1 SUS301L鋼の主要化学成分(実測値)に比べ，あるいは従来の連続レーザ溶接に比べても短時間のプロセスであるので溶融凝固部の特性を詳細に調査する必要がある．

%

本報ではレーザスポット溶接部の機械的特性の調査を行った結果と溶融凝固部の金属組織を調査した結果を述
べる．

%
総合車両製作所技報創刊号

28C

Si

Mn

P

0.019

0.51

1.250.024

SNi

CrN

0.006

6.77

16.840.119

レーザスポット溶接部の疲労特性の考察

レーザ照射時の出力の時間的分布を制御することで，ス

表2 SUS304鋼とSUS301L鋼の調質，耐力および強度
SUS304

SUS301L

MPa
MPa

２．２

パッタ発生をほぼ抑制したレーザ照射条件を表4に示す．

LTDLT

STMT

HT215

345

410

480685205

550690760

820930520

表4 レーザスポット溶接条件

kW

msm/minkWmsm/min

1-1

3.75

71.5

2.25

201.5

表3 実験に用いた材料の調質と板厚

8-12

1.00

66.02.80

226.01-18 -1215 -815-83.00

2

1.52.5055

1.51.0mm

0.8mm

1.5mm

301L-HT

304

304

1.0mm

1.2mm

0.8mm

304

301L-DLT304

図 2 にレーザ照射部の外観を示す．図に示すようにレーザ照射部は金属光沢を有している．これは，溶融凝固部の酸化膜の表裏面での外光の干渉による着色（酸化膜SUSの厚さが数100nm）であり，溶融凝固部への大気の混入実験装置向に伸びた楕円形の形状である．

が少なく健全な溶接を示している．また，レーザ走査方レーザスポット溶接を行ったレーザスポット溶接シス
テムの概要図を図 1 に示す．レーザ発振器は連続発振の半導体励起のYAGレーザであり，最大出力は加工物上で4.0 kWである．レーザ発振器からのレーザはSI型コ
ア径 0.6 mmの光ファイバで伝送し，拡大倍率 1 倍の集光光学装置で加工物上に集光した．レーザ照射点には大気の混入をできる限り防ぐためArを供給している．
1-1

Laser beam

Focusing lensUpper plate

Spot weld

Lower plate

8-12

図1 レーザスポット溶接システムの概要図
レーザ溶接部の機械的特性は，静的および繰り返し荷重の引張せん断特性で評価した．いずれも試験でも試験装置はMTS社製，クロスヘッド速度制御方式の電気油圧式疲労試験装置を用いている．
３ 実験結果15-8

３．１ レーザスポット溶接のレーザ照射条件最適化
レーザスポット溶接では照射したレーザのエネルギが図 2 レーザ照射部の外観熱エネルギに急速に変換され，レーザ照射部の温度が上昇するので，短時間に溶融点や蒸発点に到達し，スパッタの発生が多くなり溶接品質に影響を与えることが多い．

2929

2013年１月

図 2 に示した試験体の引張試験後の破断面を図 3 に示

表6 疲労強度試験結果（1-1）

す．レーザ照射部外観と同様にレーザ走査方向に伸びた楕円形である．
kNkN

kN

cycle

1

1.5

0.15

0.68

20

1.00×1072

2.50.25

1.13201.00×107

3

3.5

0.35

1.5820

6.97×1054

3.00.30

1.35202.16×106

表7 疲労強度試験結果（8-12）
1-1
kN

kN

kN

cycle

4

2.0

0.20

0.90

20

9.64×1065

1.50.150.68

201.00×107

6

1.8

0.18

0.81

20

1.00×1078

2.50.25

1.13202.86×106

表8 疲労強度試験結果(15-8)

8-12

kN

kN

kN

cycle

1

2.0

0.20

0.90

20

1.54×1062

1.00.100.45

201.00×1073

1.50.150.68

20

1.00×10715-8
図 3 レーザ照射部の破断面
３．２

静的引張試験結果，および疲労試験結果

引張試験結果のうち0.2%耐力と引張強さを求め，その結果を表 5 に示す．また，疲労強度試験結果を表6から表8と図4に示す．

表5 レーザ溶接部の耐力と引張強さ
試験体種別

0.2% 耐力kN

引張強さ

1-18.602

9.949

8-129.148

13.01215- 88.383

13.211

図 4 疲労強度試験結果

kN

３．３

レーザスポット溶接部の金属組織観察結果

図 5 に試験体15-8のレーザスポット溶接部の断面を示す．なお，金属組織の観察のため，試験体は切断の後に樹脂に埋め込み鏡面研磨し，10%シュウ酸溶液でエッチングを行っている．

総合車両製作所技報創刊号

3030

レーザスポット溶接部の疲労特性の考察

観察位置

観察位置
境界部
観察位置

図8 試験体15-8のレーザスポット溶接部断面下部
図5 試験体15-8のレーザスポット溶接部断面図5中に示す2カ所の観察位置で倍率を変えて金属組織を観察した．図6から図9に示す．

観察位置

図9 試験体15-8のレーザスポット溶接部断面下部
同様に図10に試験体 8-12のレーザスポット溶接部の断面を示す．
図6 試験体15-8のレーザスポット溶接部断面上部

観察位置
境界部
観察位置

図10 試験体 8 -12のレーザスポット溶接部断面図7 試験体15-8のレーザスポット溶接部断面上部

図10 中に示す 2 カ所の観察位置で倍率を変えて金属組織を観察した．図11から図14に示す．

3131

2013年１月

いずれの試験体でも大きな差異は無く，溶融凝固部および母材との境界部分に鋭敏化組織は観察できなかった．なお，溶融凝固部は段状組織であった．

観察位置

４ 考察
４．１

母材強度が接合強度に与える影響

表 5 に示した静的引張せん断試験結果と破断面の面積から，0.2%耐力と引張強度の応力を求め，表 9 にその結果を示す．SUS301L鋼の耐力と強度は，HTが最も高く続いてDLTとなる．SUS 3 0 4 鋼の耐力と強度は

図11 試験体 8 -12のレーザスポット溶接部断面上部

SUS301L鋼の調質材と比べても低い．引張せん断特性は溶融凝固金属の特性のみによって決まるのでは無く，抵抗スポット溶接法と同様に母材の強度も影響することを確認した．なお，試験体1-1の平均破断面積は0.95mm2，試験体8-12は同様に1.38mm2，試験体15-8は1.47mm2である．一つの試験体あたり16点のレーザスポット溶接部を形成しているので、平均断面積を16倍して応力を算出した．
表9 静的引張せん断試験結果
0.2%

図12 試験体8-12のレーザスポット溶接部断面上部観察位置

MPa

MPa

1-1568657

8-12415591

15-8356561

疲労強度も同様の傾向にあり，1000万回に達成する応力は，最大荷重で換算すると表10に示す通りとなる．
表10 疲労強度試験結果
10001000kN

図13 試験体8-12のレーザスポット溶接部断面下部

MPa1-12.5164

8-121.882

15-81.563

また，1000万回を達成する応力と引張強度の差を表11に示す．引張強さと疲労強度には相関が見られるが，今回の実験では静的試験から疲労強度を予測するには至らなかった．これは図 3 に示すレーザ溶接部破断面が楕円であることも関連すると考える．

図14 試験体8-12のレーザスポット溶接部断面下部

総合車両製作所技報創刊号

3232

レーザスポット溶接部の疲労特性の考察

表11 引張強さと疲労強度の関係
1000
MPa

MPa

1-1657164

4.00

8-1259182

7.21

15- 8561

638.90４．２

金属組織からの考察

従来の電気抵抗スポット溶接部の金属組織を図15 から図17に示す．図 5 から図14 に示すレーザスポット溶接部分と電気抵抗スポット溶接部の金属組織に大きな差異

図17 電気抵抗スポット溶接部の断面は無いことがわかった．一般にレーザ溶接部の冷却速度５はおよそ1000 ℃/secと言われているが，特異な組織を観察することはできなかった．

結論

鉄道車両用ステンレス鋼板に対してスパッタ発生を抑制した入熱条件でレーザスポット溶接を行い，機械的特性の確認と金属組織の観察を行った．その結果，次のことがわかった．
（1）レーザスポット溶接部の静的強度のうち0.2%耐力と強度は母材と同じように，それらが高いと溶接部の0.2%耐力と強度も高い傾向にある．
（2）レーザスポット溶接部の疲労強度も同様の傾向があるが，接合界面の溶融凝固形状が異なること，疲労強度を厳密に求められなかったため，静的強度から疲労強度を予測するには至らなかった．
（3）レーザスポット溶接部の金属組織の観察から，耐食

図15 電気抵抗スポット溶接部の断面性に影響を与える鋭敏化組織は無く，また，従来の電気抵抗スポット溶接の溶融凝固部の金属組織と比べても大きな差異は無かった．
著者紹介
及川昌志
博士（工学）
生産本部
技術部（sustina）主任技師

越川

純

生産本部
生産管理部（生産技術）

図16 電気抵抗スポット溶接部の断面

遠藤翔太
生産本部

技術部（sustina）

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2013年１月